автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Современные методы выбора тягового обеспечения грузовых поездов повышенной массы и длины

На правах рукописи

АНДРЕЕВ Андрей Викторович

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВЫБОРА ТЯГОВОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГРУЗОВЫХ ПОЕЗДОВ ПОВЫШЕННОЙ МАССЫ И ДЛИНЫ

Специальность 05 22 07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени КАНДИДАТА технических наук

□03070Т5И

Москва - 2007

003070758

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" (ФГУП ВНИИЖТ)

Научный руководитель Д(жтор технических наук

Мугинштейн Лев Александрович (ВНИИЖТ) Официальные оппоненты доктор технических науК1 профессор

Лужнов Юрий Михайлович (ВНИИЖТ)

кандидат технических наук Капустина Елена Петровна (РГОТУПС)

Ведущее предприятие Уральский государственный университет

путей сообщения (УрГУПС)

Защита диссертации состоится " Л У " ^¿¿^С^ 2007 года в часов

на заседании диссертационного совета Д218 002 01 при Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" по адресу

129851, г Москва, ул 3-я Мытищинская, д 10, зал Ученого совета ВНИИЖТ

Автореферат разослан " " 2007 года

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института

Отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направпять в адрес института

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор —■ П Т Гребенюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из приоритетных задач по освоению увеличивающегося объема грузовых перевозок является повышение массы и длины грузовых поездов на полигонах значительной протяженности, в особенности на направлениях к морским портам Кузбасс - Находка, Кузбасс - Санкт-Петербург, Кузбасс - Новороссийск В связи с этим при выборе тягового обеспечения возрастает актуальность проблемы оценки и выбора рациональных режимов работы, обеспечивающих высокую эффективность использования локомотивов в сочетании с их надежностью в эксплуатации и безопасностью движения

Целью настоящей работы является обобщение опыта исследований в области экспериментальной оценки режимов работы тягового подвижного состава, создание единого исследовательского комплекса, состоящего из эффективных методик, аппаратно-технических средств, программного обеспечения для их реализации, а также расчетных моделей, позволяющих решать проблемы выбора тягового обеспечения поездов повышенной массы и длины на грузонапряженных направлениях в широком диапазоне условий эксплуатации

Методы исследования. Для решения задачи использовались следующие методы исследования

- экспериментальные исследования электромеханических процессов в электровозах, в том числе проскальзывания колесных пар относительно рельсов, а также продольно-динамических сил в составе поезда в условиях реальной эксплуатации,

методы статистического и регрессионного анализа и обработки экспериментальных данных,

- математическое моделирование движения поездов

Научная новизна работы

Методики по выбору рационального уровня загруженности локомотивов по сцеплению на основе проскальзывания колесных пар относительно рельсов, по выбору режимов управления движением поезда, обеспечивающих безопасный по продольной динамике уровень сил в составе, по математическому моделированию электромеханических процессов в локомотивах и составе, позволяющих оценивать влияние условий пропуска поездопотока и изменения массы поезда, аппаратные и

3

программные средства для их реализации рассмотрены как единый комплекс, дающий новый интегральный эффект при решении задач выбора тягового обеспечения поездов повышенной массы и длины, сочетающий высокую эффективность использования локомотивов с надежностью в эксплуатации и обеспечением безопасности движения

При этом методики выбора загруженности локомотивов по сцеплению, математического моделирования электромеханических процессов в локомотивах, аппаратные и программные средства для их реализации разрабатывались коллективом авторов в составе Мугинштейна Л А , Рахманинова В И , Хацкелевича А А , Пясика М С при непосредственном творческом участии автора, методика выбора режимов управления движением поезда с учетом безопасного уровня продольных сил разрабатывалась коллективом авторов в составе Мугинштейна Л А , Рахманинова В И , Ябко И А , Лисеева С И , Пясика М С при непосредственном творческом участии автора

Практическая ценность работы. На основании выполненных исследований установлены закономерности, связывающие уровень нагруженности электровозов по сцеплению с условиями эксплуатации Методы, аппаратно-технические средства и программное обеспечение экспериментальной количественной оценки режимов нагруженности локомотивов позволяют решать вопросы выбора тягового обеспечения для устойчивого, надежного и безопасного вождения поездов на конкретных участках и направлениях сети железных дорог Расчетные модели позволяют корректировать режимы вождения и разрабатывать мероприятия по изменению тягового обеспечения при изменении условий эксплуатации

Реализация результатов работы. Разработанные методы, аппаратно-технические средства и программное обеспечение экспериментальной количественной оценки режимов нагруженности локомотивов были использованы при проведении испытаний по установлению критических норм масс грузовых поездов на участках Зима -Иркутск-Сортировочный - Слюдянка Восточно-Сибирской ж д для элетровозов ВЛ10 в 1983 году и для электровозов ВЛ80 и ВЛ85 после перевода участка на переменный ток в 1996 году, на направлении Мариинск - Красноярск - Иланская -Тайшет - Нижнеудинск - Зима Красноярской и Восточно-Сибирской жд для электровозов ВЛ80р в 1984 году, на участках Инская - Болотная -Тайга ЗападноСибирской и Кемеровской ж д для электровозов ВЛ10 в 1993 году

Данные экспериментальных исследований использованы при разработке «Временной методики и инструкции по проведению опытных поездок для определения критических норм масс грузовых поездов при электровозной тяге», утвержденной руководством МПС РФ в 1995 году

При участии автора разработаны и внедрены аппаратно-технические средства и программное обеспечение измерительно-вычислительных комплексов для дорожных тягово-энергетических вагонов-лабораторий Московской, Западно-Сибирской, Забайкальской, Свердловской и Южно-Уральской ж д

Под руководством автора комплекс методических, аппаратных и программных средств, включающий расчетные модели, был использован при проведении тягово-динамических испытаний и разработке рекомендаций и мероприятий по устойчивому пропуску поездов массой 6, 8, 9 и 12 тысяч тонн на направлении Называевская-Чепца Свердловской ж д в 2004 году Результаты приняты руководством дороги

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на

- научно-техническом совете Свердловской ж д , 12июля2004г

- совещании по вопросам тягово-энергетического обеспечения перевозочного процесса в новых условиях, Щербинка, март 2005г ,

- семинаре начальников тягово-энергетических вагонов-лабораторий ОАО «РЖД», Щербинка, ноябрь 2005г

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 32 наименований, и содержит 100 страниц основного текста, б таблиц и 35 рисунков

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации, обзору состояния вопроса и постановке задач исследования

Нагруженность локомотивов в эксплуатации в значительной степени определяется критической нормой массы поезда, выбор которой регламентируется «Правилами тяговых расчетов для поездной работы» (ПТР), введенными в действие в 1985 году

Согласно ПТР, круглогодичная критическая норма массы поезда определяется величиной расчетного коэффициента сцепления у,, для заданного типа тягового подвижного состава В работах О А Некрасова, обосновывающих выбор расчетных коэффициентов сцепления для ПТР-85, процесс прерывистого боксования колесных пар локомотива, возникающий под влиянием комплекса факторов, положен в основу метода усредненных сил тяги Критическая масса поезда определяется средней силой тяги локомотива, устойчиво реализуемой на расчетном подъеме с применением песка Однако при этом не регламентируются глубина, продолжительность и частота прерывистых боксований Ввиду большого количества факторов, влияющих на реализацию силы тяги, окончательное решение о введении установленной критической массе поезда для конкретного участка принимается после проведения экспериментальных опытных поездок

С целью повышения степени объективности при выборе рационального уровня нагруженности локомотивов в реальных условиях эксплуатации под руководством Л А Мугинштейна при непосредственном участии автора был разработан и широко использован метод числового статистического оценивания опытных данных, в основу которого положена сортировка данных измерений по группам, позволяющая устанавливать регрессионные зависимости количественных оценок проскальзывания колесных пар локомотива от реализованных тяговых усилий и продолжительности подачи песка Для исследования процессов проскальзывания, их регистрации и получения количественных оценок разработан измерительно-вычислительный комплекс, с помощью которого был проведен ряд исследований по оценке режимов загруженности по сцеплению грузовых магистральных локомотивов на наиболее тяжелых участках сети железных дорог

В результате этих экспериментальных исследований были расширены представления о совокупности основных эксплуатационных факторов, определяющих нагру-женность локомотивов по сцеплению, установлены функциональные зависимости количественных показателей проскальзывания колесных пар локомотива и продолжительности подачи песка от уровня реализуемой силы тяги, классифицированы режимы нагруженности локомотивов по сцеплению и

установлены количественные показатели, характеризующие эти режимы

6

Согласно разработанной методики, критическая норма массы грузового поезда и режим эксплуатации тягового подвижного состава выбраны правильно, если полученные в опытных поездках на рассматриваемом участке при данной массе поезда обобщенные показатели проскальзывания соответствуют заранее выбранному режиму эксплуатации, а наибольшие уровни нагревания тягового электрооборудования и продольные усилия в составе не превышают установленных нормативов

Следует отметить, что ряд дорог не располагает необходимым оборудованием и методиками для экспериментальной оценки режимов работы локомотивов

Таким образом, возникает необходимость в разработке комплекса методов технических и программных средств для решения задач выбора и оценки рациональных уровней нагруженное™ тягового оборудования локомотивов при реальных и перспективных условиях эксплуатации, а также обоснования технических и организационных решений, обеспечивающих эффективность использования локомотивов в сочетании с их надежностью в эксплуатации и безопасностью вождения поездов

Первая глава посвящена анализу основных результатов испытаний локомотивов в рамках комплекса работ по исследованию реальных режимов работы магистральных грузовых электровозов на грузонапряженных участках сети, приведен анализ результатов опытных поездок с поездами критической массы, проведенных при непосредственном участии автора на наиболее загруженных участках ЮжноУральской, Восточно-Сибирской и Красноярской ж д Экспериментальные данные получены с помощью вагона-лаборатории ВНИИЖТ, оборудованного разработанным специально для этих целей измерительно-вычислительным комплексом

На рис 1 представлена запись процессов в тяговом приводе электровоза ВЛ10

Для наглядности скорости колесных пар электровоза смещены относительно скорости

поезда последовательно на 3 км/ч, а токи тяговых двигателей на 100 А Скорость

поезда медленно увеличивается, первая по ходу (8-я) колесная пара находится в

режиме перемежающегося боксования, менее интенсивно происходят срывы 6-ой и 3-

ей колесных пар По мере разгона поезда и уменьшения тягового усилия, машинист

уменьшает интенсивность подачи песка, пробоксовки становятся глубже и

продолжительнее На рис 2 представлен режим работы электровоза ВЛЮу при

перемежающемся разносном боксовании, что явилось следствием низкого коэф-

7

фициента сцепления на данном участке пути Несмотря на интенсивную подачу песка, скорость избыточного скольжения достигает 30 км/ч Развиваемого тягового усилия недостаточно, скорость поезда падает, а машинист не может выбрать ходовую позицию параллельного соединения В дальнейшем этот процесс привел к вынужденной остановке поезда, так называемой «растяжке»

Рис 1 Рис 2

Для выявления закономерностей реализации режимов движения экспериментальные данные были обработаны методами числового статистического оценивания Суть метода в том, что для выбранной реализации для каждой оси определяются средняя реализуемая сила тяги Р„ если проскальзывание оси превышает 2%, то для нее определяются относительные показатели проскальзывания, такие как амплитуда и„ продолжительность ^ избыточный путь в,, а также параметры, характеризующие режим работы всего локомотива продолжительность подачи песка Тпес, средний реализованный уровень тяги электровоза Рзл, средняя скорость движения поезда Уп Чтобы не ограничиваться поведением отдельных осей, в качестве обобщенных оценок приняты среднеарифметические значения, определяемые по относительным характеристикам проскальзывания каждой оси

- среднее относительное время проскальзывания Тер = / ш (1),

- средняя относительная амплитуда проскальзывания иср = 23и,/т, (2),

- средний относительный избыточный путь вср^Ев./Ь, (3),

где ш - число колесных пар, Ь- путь, пройденный локомотивом

о

Эти экспериментальные данные могут быть представлены и табличной форме, что позволяет получать 06061ценные оценки параметров проскальзывания колесных пар и зависимости, связывающие показатели проскальзывания с реализуемой силой тяги и продолжительностью подачи песка. Полученные количественные оценки проскальзывания для процессов на рис.! и 2 представлены на рис.3. Видно, что при примерно одинаковом уровне реализованной силы тяги предложенные количественные оценки в полной мере отражают различия предела елейных процессов.

Сравнительное обобщенный •>' и ■::..--■ I. кие оиенкч

п^оскар|и;г1лоания кО; I«и 1,1 у.. |; I." О «" г';1'";].,

£

О Режим установившегося <цвМ*ОНИЯ ур|)жнм "ратники" поезд»

Рис.3

Для выявления физических закономерностей процессов реализации сцепления и влияния уровня реализованной силы тяти на показатели проскальзывания были получены статистические оценки для набора реализаций по ¡00 секунд каждая. Этому набору реализации соответствует широкий диапазон изменения тяговой нагрузки. Па рис. 4а-Г1 представлены регрессионные зависимости относительного времени подачи песка и обобщенных показателей проскальзывания колесных пар от уровня реализованного коэффициента тяги К/Рсц, представляющего со пой отношение силы тяги локомотива к сцепному весу.

Рассмотренные совместно с реализованным распределенлем коэффициентов тяги для данного участка, условий пропуска и массы поезда, данные зависимости дают возможность получить интегральные количественные оценки критериев проскальзываний; однозначно характеризующие режим нагруженностн по сцеплению.

На рис.5 представлены зависимости вероятности повреждения в пути следования основных узлов электровозов и отдельно тяговых двигателей, полученные по результатам анализа данных депо.

/

V 7

ф Lt

• *

* Л t*

л ф

1 •

|р ip в' mi; 1P11& р.ии 1 i Li i? л ]j pi if, ii is и ■■:i" j■ лт HI'tu

• •

* А Г

— • '4 /

• • ' >

гл r< «Й

* • • * И

a)

i.Ml! O.tij n.nfi Ид)я л,I a.IS Ii. 1 * Hi №14 B 2 I) j; Ui-l (>_;в D.I3 f'/l'r.l

6}

0

/|

* • * * У « —

Г- Ф • \ » ■i .т • и •

Щ IUUIl№ " 1 n »i "

tl.il <1 It «.JMl.J»

0 0.02 0.04 0.06 0,0В 0.1 0.1? 0.(4 0.16 0.10 0.2 0.22 0.24 0.2в 0,« F't'ru

Г)

Рис.4. Зависимости относительного времени подачи песка Тпес (а), относительного времени проскальзывания Тер (б), относительного избыточного пути Sep (в), относительной амплитуды проскальзывания Ucp (г) от реализованного коэффициента тяги.

0.01? 0.011 0.01 g 0.000 I

CJ 0.008

0.007

= 0.006

§ 0.005 ж

Ц О. ООД в»

а П.ПОЗ

о.оог o.ooi

А - ' I * ■ \ ; кшр: 5НВЗЙ

у;; . - i'1 • l «г

- 5 ■/."a* .

/ 'г!-'' ■

i J

S i-.'V 1' A. 1 ' '

t . iff, Л. r

. У

1 tfc 4 '..•': ; V.1

I

1200 1000 2000 2400 28Й0 3200 3600 4000 MdCCS ПП*30Л. т

Ш ПоПрРЧ.'ЛГНИг ni'HOIIMhll Vinnn

О Поорвждсиие тягоиых двиг»т*п»й

Рис,5. Вероятность повреждения электровоза от массы поезда.

Ш

На основе совместного рассмотрения нелинейных зависимостей показателей проскальзывания и повреждаемости электровозов предложена классификация режимов нагруженности, которая нашла свое отражение в разработанной «Временной методике и инструкции по проведению опытных поездок для определения критических норм массы грузовых поездов при электровозной тяге», утвержденной руководством МПС в марте 1995 года В табл I численным значениям интегральных критериев поставлены в соответствие режимы работы электровоза, которые можно условно разделить на

экономный, при котором высокая техническая надежность сочетается с малыми затратами на ремонт и содержание локомотивного и путейского хозяйства, при этом обеспечивается надежное выполнение графика движения поездов,

интенсивный, когда велико число повреждений узлов электровоза, число растяжек, велики затраты на ремонт и содержание пути и локомотивов, часты сбои графика движения по техническим причинам,

рациональный, занимающий промежуточное положение между рассмотренными выше, при этом недостатки режима интенсивной эксплуатации выражены при этом не столь явно и для обеспечения необходимых размеров движения требуется меньшее число электровозов, чем при режиме экономной эксплуатации,

недопустимый, при котором частота и продолжительность пробоксовок нарастают лавинным образом при небольшом изменении внешних воздействий

Таблица!

Наименование режима Показатели проскальзывания

Среднее относительное время проскаль ¡ывани Лср Относительный избыточный путь S/L Относительное время подачи пескаТпес

Переменный ток Постоянный ток Переменный ток Постоянный ток Перемен- Постоянный ток ный ток

Экономный <30 <4 <17 - <30

Рациональный 30-35 4-8 17-20 <3 30-50

Интенсивный 35-40 8-25 20-25 3-5 50-80

Недопустимый >45 >25 >25 >5 >80

Во «Временной методике » приведены условия проведения испытаний организационные мероприятия, техническое обеспечение, допустимые нормативы по нагреву тягового оборудования и продольным силам в составе и методы их контроля

Вторая глава посвящена описанию автоматизированной системы для измерения, регистрации и обработки данных при испытаниях локомотивов Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) вагона-лаборатории ВНИИЖТ создавался для проведения испытаний тягового подвижного состава (ТПС) при научных исследованиях и начиная с !979года применялся при проведении испытаний локомотивов на наиболее тяжелых участках сети железных дорог В ходе выполнения этих работ ИВК непрерывно модернизировался С развитием элементной базы существенно изменилась аппаратная часть, по мере накопления опыта разрабатывались новые методики проведения испытаний и программы обработки данных

Аппаратная часть ИВК представляет собой комплект датчиков, преобразователей сигналов, программируемого микропроцессорного блока сбора информации и персонального компьютера В качестве датчиков могут использоваться и штатные датчики тягового подвижного состава Преобразователи сигналов используются для согласования уровней сигналов с блоком сбора информации, а также для обеспечения безопасности персонала при измерениях в силовых цепях ТПС, находящихся под высоким потенциалом Программируемый микропроцессорный блок сбора информации позволяет пользователю оперативно менять конфигурацию ИВК применительно к целям конкретных испытаний, при использовании новых методик испытаний или модернизации аппаратной составляющей комплекса

Совокупность измерительных каналов, их передаточных функций и других характеристик определяет конфигурацию измерительной системы Для разных типов ТПС и видов испытаний пользователю необходимо задать параметры конфигурационного файла системы, который в дальнейшем будет использоваться при сборе и хранении данных для их отображения в привычных единицах

При проведении испытаний, кроме измеряемых параметров часто возникает необходимость проводить вычисления по формулам, задаваемым пользователем, (с выводом результатов на дисплей) в реальном масштабе времени Для задания

формулы использовать имена как физических, так и других вычисляемых каналов При этом можно использовать данные как текущего, так и предыдущего замеров (например, для вычисления расхода электроэнергии, температуры тяговых двигателей и т д)

Для привязки к координате пути пользователь имеет возможность задать начальную координату, при смене нумерации километровых столбов предусмотрена возможность оперативной коррекции текущей координаты

Для обработки данных стандартными пакетами типа EXCEL предусмотрено преобразование исходных файлов в формат, доступный для этих пакетов

В соответствии с этими требованиями был разработан Пакет программного обеспечения ИВК вагона-лаборатории для испытания ТПС Структура пакета состоит из пяти блоков 1) создание и редактирование конфигурации системы, 2) сбор данных, 3) просмотр данных, 4) преобразование файлов данных в формат ASCII, 5) статистическая обработка данных

Для каждого аналогового канала задается номер канала в измерительной системе, имя канала, передаточные функции трех стандартных преобразований в канале, максимальное возможное значение измеряемого параметра Например, если при измерении тока применяется высоковольтная гальваническая развязка, в которой совмещены усилитель и АЦП, для этого канала задается передаточная функция датчика (измерительного шунта) и передаточная функция высоковольтной развязки Передаточная функция шунта I = k * Urn, где Uui - напряжение на шунте, к -отношение номинального тока к номинальному напряжению шунта (например, для шунта 750А/75мВ к=10) Передаточная функция высоковольтной гальванической развязки Urn = к * С + Ь, где С - код измеренный блоком сбора информации, k, b -коэффициенты передаточной функции

При регистрации скорости вращения колесных пар измеряется период частоты импульсного датчика (наиболее быстрый способ измерения), а линейная скорость определяется по формуле V = k / Т, где V - линейная скорость, Т - период частоты выходного сигнала датчика, к - коэффициент, зависящий от диаметра колеса и числа импульсов на оборот

Дискретный канал может быть определен как битовая функция нескольких дискретных сигналов В простейшем случае битовая функция использует один дискретный сигнал Значения битовой функции определяются таблицей соответствия входных сигналов значениям канала

Для вычисляемого канала задается имя канала и формула вычисления, в которой можно использовать имена всех аналоговых каналов и имена вычисляемых каналов, определенных ранее При этом если перед именами стоит символ подчеркивания «_», то значения берутся из предыдущего замера В формуле можно использовать также стандартные тригонометрические, логарифмическую, экспоненциальную и степенную функции

В настоящее время эти идеи нашли свое развитие в новом аппаратно- программном комплексе АКСД, предназначенном для проведения испытаний подвижного состава и впитавшем в себя все лучшее, что прошло многолетнюю проверку во время испытаний Разработчики нашли возможность объединить в новом комплексе сбор данных по таким разнородным каналам, как измерение температуры с помощью термопар или термометров-сопротивлений, измерение сигналов от тензодатчиков или сигналов от тензометрических автосцепок, измерение средних значений низковольтных напряжений и токов в цепях управления локомотива, измерение давлений в тормозной системе, измерение мгновенных, средних или действующих значений токов и напряжений в силовой схеме локомотива находящихся под высоким потенциалом (до 4кВ рабочего напряжения), измерение скоростей вращения колесных пар локомотива и вагона-лаборатории, измерение частотных сигналов, регистрация дискретных сигналов в схеме локомотива

При этом пользователю предоставляется возможность гибкой конфигурации системы в зависимости от стоящих задач, а также возможность наиболее удобного хранения информации, ее представления в наиболее удобном и привычном для пользователя виде Предоставляются также расширенные возможности статистической обработки информации, учитывающие в полной мере существующие официальные методики обработки

Программное обеспечение комплекса АКСД на языке «С» предназначено для работы в среде Windows 95-98 и осуществления автоматизированного сбора данных

14

от трех следующих независимых систем сбора информации системы сбора тяговых параметров, системы преобразователей типа Advantech ADAM 4000, системы тензометрии При этом задается временная база для всех трех систем и осуществляется синхронизация данных измерений, их хранение, оперативное представление, фильтрация и обработка

Разработанные технические решения аппаратных средств и алгоритмы программного обеспечения измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) для дорожных тягово-энергетических вагонов-лабораторий (ТЭВЛ) обеспечивают универсальность комплекса при испытаниях различных типов тягового подвижного состава и внедрены на ТЭВЛ Московской, Западно-Сибирской, Забайкальской, Свердловской и Южно-Уральской ж д

Третья глава посвящена описанию системы дистанционного измерения продольно-динамических усилий ПДС в поезде

Традиционно для измерения ПДС использовались специальные вагоны-лаборатории, оборудование автосцепками с тензодатчиками и приборами для регистрации их показаний Учитывая меньшую, чем у грузовых вагонов, устойчивость вагонов-лабораторий от выжимания и стаскивания, в грузовой поезд их устанавливали между гружеными восьмиосными вагонами прикрытия, обеспечивающими безопасность

Новые технологии позволили разработать и испытать принципиально новую систему для измерения ПДС В ее составе блок синхронизации - БС, включающий радиомодем, антенну, портативный компьютер, и автономные блоки регистрации - БР по числу сечений поезда, в которых измеряются ПДС

БС расположен в вагоне-лаборатории, автономные блоки располагаются в различных сечениях состава не далее 300 метров друг от друга БР по радиокоманде, формируемой БС, измеряет и регистрирует в энергонезависимой памяти показания с тензометрической автосцепки Все устройства и конструктивные решения системы измерения и регистрации выбраны с учетом высокой устойчивости к воздействиям климатических и механических факторов и электромагнитных помех

Точность опытных данных при дистанционном измерении ПДС в различных сечениях поезда определяется процессами оборудования автосцепок тензодатчиками, тарировки автосцепок на стенде совместно с определенным БР, контроля "нуля"

автосцепок перед началом и в процессе и опытных поездок, математической фильтрации сигналов тензорезисюров на этапе обработки результатов измерений

Тензометрическую автосцепку тарируют на гидравлическом прессе в комплексе с блоком регистрации (БР), усилитель постоянного тока влияет на точность конечных результатов Практика показывает, что наклоны тарировочных кривых при одной и той же технологии оборудования измерительных автосцепок мало отличаются друг от друга и достаточно стабильны во времени

"Нули" автосцепок имеют тенденции к смещению, что связано как со свойствами металла автосцепки, так и деформациями клеевого соединения Поэтому весьма важным оказывается постоянный контроль и корректировка нуля всех измерительных комплектов БР как перед началом опытных поездок, так и в течение ее Перед троганием опытного поезда после остановок на станциях или перегонах должно осуществляться предварительное осаживание поезда на 5-15м с тем, чтобы тензометрические автосцепки гарантировано прошли через нулевой режим полной разгрузки До начала опытных поездок должны быть выполнены две операции, связанные с возможностью смещения тарировочных характеристик тензометри-ческих автосцепок в процессе их транспортировки и установки на вагоны Первая -проверка параметров измерительной системы при нулевом значении усилий на автосцепках, когда оборудованные вагоны находятся в расцепленном состоянии или не включены в состав поезда Вторая - проверка тарировочной характеристики под нагрузкой При этом вагоны, оборудованные БР, сцепляются с вагоном-лабораторией и локомотивом, указанный сцеп сцепляется с заторможенным сцепом вагонов массой около 2000-3000т При отключенных тормозах на вагоне-лаборатории и опытных вагонах локомотив включается в режим тяги и фиксируются данные с опытных автосцепок под нагрузкой В таком режиме касательная сила тяги локомотива равна силе тяги и на всех сцепных приборах расторможенных вагонов

После выполнения указанных операций вагоны, оборудованные для измерений, могут быть установлены в состав опытного поезда по предварительно определенной схеме их расстановки В процессе следования опытного поезда измерения продольно-динамических усилий производятся в соответствии с поставленными задачами

Четвертая глава посвящена применению расчетных методов при выборе тягового обеспечения поездов повышенной массы и длины, а также математическому моделированию процессов движения и управления грузовыми поездами

Анализ опытных поездок показывает, что нагруженность электровозов даже при работе с поездами одинаковой массы может сильно различаться в зависимости от внешних условий и режимов управления Реализовать всю гамму условий пропуска при проведении опытных поездок, сопоставить оценки загруженности электровозов при работе с поездами различной массы в меняющихся условиях эксплуатации при использовании только экспериментальных данных, является практически невыполнимой задачей Эффективным методом решения подобных задач является применение математических моделей, которые адекватно отражают режимы работы локомотивов и учитывают основные влияющие факторы

Одной из таких расчетных моделей является специализированный программный комплекс для обучения машинистов энергосберегающим и безопасным методам управления поезда, разработанный во ВНИИЖТе Исходными данными для расчета являются профиль участка, действующие предупреждения об ограничении скорости, тип локомотива, количество, тип и загрузка вагонов, время хода Результатом расчета является скоростная траектория движения поезда и реализованная сила тяги Основой расчета является интегрирование уравнения движения поезда, то есть точный тяговый расчет с использованием нормативных формул Правил тяговых расчетов с учетом профиля пути, ограничений скорости, тяговых и тормозных параметров локомотивов и т д

Пример использования программно-аппаратного комплекса АПК для расчета и оценки режимов загруженности электровозов иллюстрируют рис 7а и 76, где приведены экспериментальные и расчетные траектории движения двух опытных поездок на участке Свердловской ж д , а на рис 8а и 86 - соответствующие им распределения режимов нагруженности тягового оборудования Расчеты выполнены для фактических данных о типе и загрузке вагонов, действующих ограничениях скоростей и реализованных временах хода

Нсреикйгино-Кез

Гг.жниы р*б<т.| }л(К1|)01)из(>« с пиоллмн массой вЗОО Т им учис» ке

80

70 60

40 30 20 10 о -10 ■20 >30 -40 50

Ряттаи* 1>ш№п.1 |1пдоты ^(«ротное с массой <*3<М> тони

ИИ УЧЛСТК* Кг]КЩ)»Г1ШО К«.

Рис,8. Сопоставление экспериментальных и расчетных режимов работы

Таким образом, предложенная математическая модель адекватно отражает режимы работы локомотивов, хорошо коррелирует с экспериментальными данными и учитывает основные влияющие факторы Полученные ходе решения численные значения скоростей движения и сил тяги позволяют получать распределение тяговых усилий и таким образом оценивать изменение уровня нагруженности локомотивов при изменении условий эксплуатации, а также принимать решения о выборе тягового обеспечения при изменении массы поезда

В пятой главе рассматриваются результаты опытных поездок с поездами массой 6300 тонн на полигоне Называевская — Войновка - Свердловск — Пермь — Балезино Свердловской жд протяженностью более 1500 километров и соединенного поезда массой 12000 тонн на участке Верещагино-Кез, протяженностью более 60 километров с целью установления возможности повышения массы грузовых поездов и разработки технических и организационных мероприятий по организации устойчивого пропуска поездов массой 6, 8, 9, и 12 тысяч тонн Методикой исследования предусматривалось сочетание экспериментальных и расчетных методов, что позволяет экстраполировать результаты опытных поездок на другие условия пропуска, другие массу и длину поезда, измененное тяговое обеспечение Комплекс работ включал в себя опытные поездки по оценке режимов работы электровозов с поездами массой 6300 тонн на всем полигоне, опытные поездки с поездами массой 6300 тонн на полигоне Свердловск- Пермь Балезино с измерением и регистрацией режимов работы электровоза и продольно-динамических сил в трех сечениях состава и опытную поездка со сдвоенным поездом массой 12000 тонн на участке Верещагино-Кез с измерением и регистрацией режимов работы головного электровоза и продольно-динамических сил в трех сечениях первого состава с синхронной фиксацией режима работы второго локомотива в середине поезда Все опытные поездки были проведены с использованием тягово-энергетической вагона-лаборатории № 72363 Свердловской жд, дооснащенной дополнительным измерительным оборудованием ВНИИЖТ для измерения продольно-динамических сил

Оценка возможности вождения поездов различной массы, сравнительная оценка при рассмотрении или выборе различных вариантов пропуска грузопотока

осуществлялась с помощью расчетных математических моделей Особое внимание уделялось сопоставлению экспериментальных и расчетных данных

Следует отметить, что опытные поездки выполнялись при хороших условиях сцепления, при их проведении практически отсутствовали временные предупреждения об ограничении скоростей движения ниже 60 км/ч, машинисты могли выбирать приемлемую скорость перед лимитирующими подъемами Все лимитирующие подъемы были пройдены со скоростью не ниже расчетной по ПТР Расчетный перегрев тяговых двигателей на всем полигоне не превысил 88 °С при допустимом 120 °С

Распределение относительного времени работы электровозов в режимах выбега и тяги при вождении поездов массой 6300 тонн по трем характерным участкам направления Называевская-Чепца приведено на рис 9а При этом на полигоне Входная-Свердловск-Соржровочный тяга осуществлялась двумя секциями электровоза ВЛ11, а на полигоне Свердловск-Сортировочный - Балезино - тремя секциями На рис 96 представлено распределение времени работы электровозов только в режиме тяги Из анализа рисунков следует, что наиболее загруженным является участок Войновка - Свердловск, на участке Свердловск - Балезино нагруженность тягового оборудования электровозов несколько меньше, а на участке Входная -Войновка электровоз загружен незначительно

На рис 9в приведены расчетные данные о загруженности тягового оборудования при работе с графиковыми временами хода для участков Войновка-Свердловск и Свердловск-Балезино при отсутствии ограничений скорости перед лимитирующими подъемами и при наличии ограничений 40 км/ч, а на рисунке 10 - рекомендуемое тяговое обеспечение поездов различной массы для этих условий эксплуатации для участков Входная-Войновка (рис 10а), Войновка-Свердловск (рис 106) и Свердловск-Балезино (рис Юв)

Выбор тягового обеспечения определялся из условия, что средний уровень загрузки локомотива на этих участках не превысит существующего на данный момент уровня наиболее загруженного участка Войновка - Свердловск Такой подход гарантирует при соблюдении условий пропуска устойчивый пропуск поездов выбранной массы по всему направлению и не приведет к заметному ухудшению существующего состояния локомотивного парка

Koi^mapjrf тягв

а)

I

CsípjwetK-EnntiKHo -"]>едитЛ К1>>ф.tuner«4кг тЯТп0

ВоЛно im- Сл^лжвп: HM^ntft ка>ф4)Щ|Й>К1 TAflï О J34

§ШднАя-Б«№юдкп

аоичгг тягк 0,ûS 1

Войиояк^-Си^д/»»«-*: гцш отгуггтваси (•11)пш№нш1 fKojidfiii сррдашЛ ь"0'>ффтс1ге«т тяги О J.45

КО|ф«1иШ)ПЙ1ТЫ ТЯГИ

Свф даюк к-Е ч лришр пр и m тц-пш oq) nrarwHftít с к ei«» fTH cpí,matíi к^ффицнент т.яги ÛlJfi С»)1ДА08ГК Б.ЧЛР'лЮ«) iqmoir>TrfBID(

огрлки-гёкнй скоро* и* коффгаакпт тяхи 0,13

BoiotraK^-C»q)snwiini njm пишгчга!

orirtHir4)Motf{ fKo]rarm Г|№ДША коф)Ш1№Н1 тяги 0.158

Рис, 9. Загрз'женносгь тегового оборудования электровозов.

2 'Г'Ч <ЦЬ."1 €~1Г'Л'ЦНК

' I ' 8 ' 9. ' I ' I ' ! ' I ' г 'И ' I ' 5 ' I ' I I1 Г*! 1 '1 "8 "1 Т 3

1 1 \ \ 1 , 1 1 ! \ 1 1 1 1 1 1 1

I 1

т : 1 ? 3 ; 15 ? :

ШМШШШ:

3 пш.'' ( с'КЦЛШ шшш т

шшт 1 Щ

I I I ? I 1 ! 1 ? £ 1 1 I § I 1 | | | | I 13 1

Г1|,1Г '. Л 1М()Д-1. т

1 (и1ЧИ№ «'Г|' 1И11Ч1-И1Ж • IV II ЧЛ.С »и Ш

Сие р длонс к- Б а леишо

5 /!Ий»М1' секций

4 ник*о*их секция

Рис, 10. Тяговое обеспечение поездов различной массы.

22

Основные результаты работы .

1 Разработан комплекс методических, аппаратных и программных средств, включающий расчетные модели, для решения задач выбора тягового обеспечения поездов повышенной массы и длины на грузонапряженных направлениях сети железных дорог, обеспечивающий интегральный эффект сочетания высокой эффективности использования локомотивов с их надежностью в эксплуатации и безопасностью движения

2 Предложенные расчетные модели позволяют получать необходимые данные, дополняющие экспериментальные, для разработки предложений и принятия решений по выбору тягового обеспечения в широком диапазоне изменения условий эксплуатации

3 Технические решения, принятые при создании аппаратных средств и алгоритмов программ измерительно-вычислительных комплексов для дорожных тягово-энергетических вагонов-лабораторий обеспечили реконфигурируемость и универсальность комплекса при испытаниях различных типов тягового подвижного состава Комплексы внедрены на ТЭВЛ Московской, Западно-Сибирской, Забайкальской, Свердловской и Южно-Уральской ж д

4 Проведенные в 2004 году под руководством автора тягово-динамические испытания с использованием комплекса методических, технических и программных средств позволили разработать рекомендации и предложения по тяговому обеспечению поездов массой б, 8, 9 и 12 тысяч тонн на направлении Называевсгсая-Чепца Свердловской ж д , которые были приняты руководством дороги

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Мугинштейн Л А, Лисицын А Л, Хацкелевич А А, Андреев А В Экспериментальные исследования режимов работы электровозов постоянного тока Вестник ВНИИЖТа, 1983, №2, с 19-24

2 Хацкелевич А А, Андреев А В Обобщение опыта эксплуатации автоматизированной системы для испытания локомотивов Сборник трудов ВНИИЖТ «Повышение массы грузовых поездов», М Транспорт, 1985, с 137-146

3 Хацкелевич А А , Пясик М С , Андреев А В , Колесников А Е Измерительно-вычислительный комплекс вагона-лаборатории для испытаний подвижного состава Вестник ВНИИЖТ, 1999г, №5, с45-47

4 Мугинштейн Л А , Рахманинов В И , Пясик М С , Ябко И А , Андреев А В , Лисеев С И , Льон А Н Дистанционное измерение продольно-динамических усилий в поезде Железнодорожный транспорт, 2005г , №7, с 39-42

5 Мугинштейн Л А , Ябко И А , Рахманинов В И , Андреев А В , Виноградов С А , Лисеев С И, Пясик М С Обучение машинистов энергосберегающим и безопасным методам управления поезда Железнодорожный транспорт, 2005г, №9, с 37-40

6 Многоканальное устройство для сбора и предварительной обработки данных при испытаниях подвижного состава / Л А Мугинштейн, А А Хацкелевич, А Л Лисицын, А В Андреев Авт свид № 928366 , Бюллетень изобретений, 1982г, №18

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВЫБОРА ТЯГОВОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГРУЗОВЫХ ПОЕЗДОВ ПОВЫШЕННОЙ МАССЫ И ДЛИНЫ

Специальность 05 22 07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

Андреев Андрей Викторович

Подписано в печать 25 04 07 Заказ

Уел печ л 1,5

Формат бумаги 60x90 1 \ 16 Тираж 100 экз

Типография ВНИИЖТ, 129851, Москва, 3-я Мытищинская, 10

24

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ

ВЫБОР ТЯГОВОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

1.1. Загруженность локомотивов по сцеплению.

1.1.1. Реальные режимы работы грузовых электровозов тока на наиболее загруженных участках сети железных дорог.

1.1.2. Статистические оценки проскальзывания колесных пар локомотивов.

1.2. Ограничения продольно-динамических усилий по прочности автосцепки и по устойчивости вагонов и пути.

1.3. Ограничение режимов работы электрооборудования электровозов по нагреванию.

2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.

2.1. Аппаратная часть и программное обеспечение.

2.2. Перспективы дальнейшего развития систем сбора и обработки экспериментальных данных.

3. СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНО-ДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ В СОСТАВЕ ПОЕЗДА.

4. ПРИМЕНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ЗАГРУЖЕННОСТИ ТЯГОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ И АНАЛИЗЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

5. ТЯГОВО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ПОЕЗДОВ МАССОЙ 6000 И 12000 ТОНН НА НАПРАВЛЕНИИ НАЗЫВАЕВСКАЯ - ЧЕПЦА СВЕРДЛОВСКОЙ Ж.Д.

5.1. Результаты опытных поездок.

5.2 Режимы работы электровозов в соединенном поезде.

5.3 Выбор тягового обеспечения при увеличении нормы массы поезда на направлении Называевская - Чепца.

Многолетние исследования, подтвержденные опытом эксплуатации, показывают, что важнейшей составляющей процесса интенсификации работы железнодорожного транспорта является повышение массы грузовых поездов, при этом наиболее простым решением является увеличение нагруженности локомотивов, в первую очередь, по условиям сцепления колесных пар с рельсами.

Нагруженность локомотивов в эксплуатации в значительной степени определяется критической нормой массы поезда, выбор которой регламентируется «Правилами тяговых расчетов для поездной работы» (ПТР), введенными в действие в 1985 году. Согласно ПТР, круглогодичная критическая норма массы поезда определяется величиной расчетного коэффициента сцепления \|/к для заданного типа тягового подвижного состава. Значение расчетного коэффициента сцепления, принятого на железных дорогах разных стран колеблется в достаточно широких пределах, и связано это не только с процессом реализации сил сцепления колесных пар с рельсами, но и широким комплексом технико-экономических и других факторов. На отечественных железных дорогах расчетный коэффициент сцепления определяется для влажных рельсов с применением песка при прерывистом боксовании колесных пар на основе специальных испытаний и обобщения опыта эксплуатации дорог. Процесс прерывистого боксования колесных пар локомотива, возникающий под влиянием комплекса факторов, положен в основу метода усредненных сил тяги, предложенного ВНИИЖТ для экспериментального определения расчетного коэффициента сцепления. Критическая масса поезда определяется средней силой тяги локомотива, устойчиво реализуемой на расчетном подъеме с применением песка. Однако при этом не регламентируются глубина, продолжительность и частота прерывистых боксований. На процессы боксования значительное влияние оказывают конструктивные особенности механической части и силового электрического оборудования локомотива, техническое состояние 3 локомотива, качество песка и системы пескоподачи, состояние верхнего строения пути и многие другие факторы. Немаловажное влияние на состояние контакта колеса с рельсом оказывают погодные условия, особые местные условия, связанные с загрязнением рабочих поверхностей колес и рельсов, а также климатические особенности. Ввиду большою количества факторов, влияющих на реализацию силы тяги, окончательное решение о введении установленной критической массе поезда для конкретного участка принимается после экспериментальных опытных поездок.

Фактически расчетный коэффициент сцепления устанавливается без учета технико-экономических последствий процессов интенсивного боксования колесных пар: значительного расхода песка и засорения балласта, повышенного износа бандажей и рельсов, повышенных динамических усилий при восстановлении боксования, приводящих к отказам элементов тягового привода и расстройству верхнего строения пути.

На режимы работы электровозов существенное влияние оказывают условия эксплуатации на участках дорог. Эти условия характеризуются наличием неграфиковых остановок, предупреждениями об ограничении скорости, движением на желтый сигнал светофоров, большим разбросом значений коэффициентов тяги, при которых начинается длительное перемежающееся боксование колесных пар электровоза.

В результате отклонений реальных условий эксплуатации от расчетных возрастает нагруженность электровозов, в связи с этим при движении с полновесными поездами на трудных участках профиля пути наблюдаются многочисленные, глубокие пробоксовки колесных пар электровоза, которые продолжаются и при подаче песка. При трогании и разгонах полновесных поездов на этих участках возможны превышения температур обмоток тяговых двигателей, близкие и предельно допустимым значениям и даже превышающие их.

Следствием повышенной нагруженности электровозов являются повышенный выход из строя колесно-моторных блоков и других основных узлов оборудования, повышенный износ пути и запесочивание балластной призмы. При этом увеличивается число порч электровозов и "растяжек" на трудных участках профиля, возрастает количество предупреждений о снижении скорости по состоянию пути и соответственно снижается провозная способность участка. В локомотивном и путейском хозяйствах значительно возрастают объем ремонта, расход материальных и людских ресурсов. Поэтому выбор рационального режима работы электровозов, который учитывает реальные условия эксплуатации, дает существенный технико-экономический эффект.

С целью повышения степени объективности при выборе рационального уровня нагруженности локомотивов в реальных условиях эксплуатации под руководством Л.А.Мугинштейна был разработан и широко использован метод числового статистического оценивания опытных данных, в основу которого положена сортировка данных измерений по группам, позволяющая устанавливать регрессионные зависимости количественных оценок проскальзывания колесных пар локомотива от реализованных тяговых усилий и продолжительности подачи песка. Для исследования процессов проскальзывания колесных пар локомотивов при высоком уровне нагруженности по сцеплению, их регистрации и получения количественных оценок разработан измерительно-вычислительный комплекс, с помощью которого был проведен комплекс исследований по оценке режимов загруженности по сцеплению грузовых магистральных локомотивов на наиболее тяжелых участках Южно-Уральской, Восточно-Сибирской, Красноярской, Львовской, Северокавказской, Московской, Октябрьской, Горьковской, Свердловской, Западно-Сибирской, Кемеровской, Алма-Атинской, Забайкальской, Байкало-Амурской, Дальневосточной железных дорог.

По результатам этих экспериментальных исследований были расширены представления о совокупности основных эксплуатационных э факторов, определяющих нагруженность локомотивов по сцеплению, установлены функциональные зависимости количественных показателей проскальзывания колесных пар локомотива и продолжительности подачи песка от уровня реализуемой силы тяги, что позволило классифицировать режимы нагруженности локомотивов по сцеплению и установить количественные показатели, характеризующие эти режимы.

Условно режимы нагруженности локомотивов по сцеплению можно разделить на четыре градации:

- «экономный», при котором высокая техническая надежность сочетается с малыми затратами на ремонт и содержание локомотивного и путейского хозяйства. При этом обеспечивается надежное выполнение графика движения поездов;

- «интенсивный», когда велико число повреждений узлов электровоза, число растяжек, велики затраты на ремонт и содержание пути и локомотивов, часты сбои графика движения по техническим причинам;

- «рациональный», занимающий промежуточное положение между рассмотренными выше. Недостатки режима интенсивной эксплуатации выражены при этом не столь явно и для обеспечения необходимых размеров движения требуется меньшее число электровозов, чем при режиме экономной эксплуатации;

- «недопустимый», при котором частота и продолжительность пробоксовок нарастают лавинным образом при небольшом изменении внешних воздействий.

Предпочтительным является рациональный режим эксплуатации. В отдельных случаях допустим интенсивный режим эксплуатации, например, если критическая норма массы поезда, обеспечивающая рациональный режим эксплуатации на участке, меньше унифицированной нормы массы для целого направления, протяженность которого существенно больше протяженности участка. При этом необходимо ясно представлять последствия такого решения, в частности усиление материально-технического обеспечения подразделения локомотивного и путевого хозяйств, увеличение объема ремонтных работ и возможное ухудшение эксплуатационных показателей работы участка, особенно при высоком уровне заполнения пропускной способности.

Такой подход к выбору критической нормы массы грузовых поездов нашел отражение во "Временной методике и инструкции по проведению опытных поездок для определения критических норм масс грузовых поездов при электровозной тяге", утвержденной руководством МПС в марте 1995 года.

Временная методика и инструкция по проведению опытных поездок.", предусматривает учет всех факторов, оговоренных в ГГГР-85, в части установления весовых норм, а также расширяет и дополняет основные положения с целью учета реальных условий эксплуатации, исключения возможности субъективного толкования результатов испытаний и обоснованной оценки руководством дороги рекомендуемой критической нормы, исходя из вероятности износа и повреждаемости тягового оборудования, возможностей ремонтной базы, а также браков в работе, связанных с растяжками поездов на тяжелых участках, в том числе, при неблагоприятных погодных условиях.

Принципиальные отличия от ПТР-85 заключаются в следующем. Остановка полновесного поезда возможна в любой точке профиля, в том числе, на расчетном и труднейшем подъемах. Расчетный коэффициент сцепления по ПТР является величиной сугубо ориентировочной и может быть использован при предварительных расчетах или там, где условия эксплуатации совпадают с указанными в ПТР. Во всех остальных случаях следует ориентироваться на реальный коэффициент сцепления - в дальнейшем устойчиво реализуемый коэффициент тяги или просто коэффициент тяги, который устанавливается на основании опытных поездок по методике оценки нагруженности электровозов по сцеплению и представляет собой отношение реализованного тягового усилия к сцепному весу.

Помимо вопросов, связанных с реализацией тяги в условиях ограничения по сцеплению, при увеличении массы и длины грузовых поездов, а также применении распределенной тяги, приходится решать вопросы выбора режимов управления тягой и торможением с позиций обеспечения безопасности движения.

Поезд представляет собой сложную механическую систему, в которой возникают динамические процессы, обусловленные изменением тяговых усилий локомотивов, профилем пути и торможением.

Различают два основных режима движения поезда: установившейся или стационарный, и неустановившейся или переходный. К первому относят равномерное и равномерно-ускоренное (или замедленное) движение поезда, на который действуют внешние постоянные или медленно изменяющиеся силы. В этом случае усилия в ударно-тяговых приборах определяются в основном указанными внешними силами и силами инерции поезда, возникающими вследствие ускорений его как единого жесткого тела. Относительные перемещения масс вагонов в таком поезде весьма малы и практически не влияют на силовые процессы в нем.

Ко второму режиму движения поезда относят трогание, переходный процесс торможения, резкое изменение режима тяги, а также маневровую работы, сопровождающуюся соударением вагонов. В этих случаях продольные силы между вагонами определяются не только внешними силами, приложенными к поезду, но и относительными скоростями движения отдельных вагонов и, как следствие, ударами их друг о друга.

Для исключения появления больших продольных сил в составах в переходных режимах движения необходимо, чтобы переход из сжатого в растянутое состояние и наоборот происходил при возможно меньших возмущениях состава от локомотивов. Применение кратной тяги и появление все более мощных локомотивов ведет ко все более возрастающему их влиянию на продольную динамику поездов. Причем рост мощностей локомотивов открывает дополнительные возможности к сохранению (и даже снижению) на существующем уровне ударных продольных сил в поездах большей массы и длины. В настоящее время любой состав может быть плавно тронут с места без предварительного осаживания. Эти положения для случая ведения состава с локомотивами только в голове нашли отражение в разделе 1.4.6 ПТР-85, а также в более поздних нормативных документах, в частности, в "Инструкции по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог" ЦТ-ЦВ-ЦВ-ВНИИЖТ/277, утвержденной 16.05.94, где указывается, что "сила тяги на автосцепке локомотива, работающая на растяжение, состава, не должна превышать при трогании с места 95 тс, а при разгоне и движении -130 тс.

Во "Временных методических указаниях по обеспечению безопасности движения грузовых поездов повышенного веса и длины" ЦД-ЦТ-ЦП/4805, утвержденных 09.06.90 в наиболее развернутом виде представлены ограничения продольных усилий, в том числе в зависимости от радиусов кривых, восьми градаций массы груза в вагоне, то же сделало и в ряде других документов. Это вызвано стремлением облегчить формирование особо тяжеловесных поездов, а также уточнить безопасные режимы тяги и торможения распределенных по составу локомотивов.

Одним из важных факторов, ограничивающих нагруженность локомотивов в эксплуатации, является нагревание тяговых двигателей.

Классический способ измерения температуры нагревания лимитирующих обмоток тяговых двигателей, называемый методом вольтметра-амперметра предусматривает высокоточное измерение сопротивления обмоток якоря, для чего необходима установка специальных измерительных щеток на коллектор.

Перед началом испытаний производится измерение сопротивления обмоток двигателя после длительной выдержки локомотива при известной температуре окружающего воздуха. Во время проведения опытных поездок измерения выполняются при остановке поезда в точке профиля, где предполагается наибольший нагрев лимитирующих обмоток. После чего по известному значению температурного коэффициента сопротивления меди расчетным путем определяется температура обмотки.

Метод этот весьма трудоемок и вносит искажения в измерения температуры в последующих опытах за счет остановки и разгона поезда в предыдущих опытах. Кроме того, он ориентирован на измерение нагревания конкретного двигателя определенного электровоза, в связи с чем перед опытами необходимо проверять и настраивать систему вентиляции.

На практике определение нагрева лимитирующих обмоток осуществляется расчетным путем на основе зарегистрированных в опытных поездках реализованных токов, временных интервалов и тепловых параметров тяговых двигателей. Правомочность определения превышения температуры обмоток тяговых двигателей во время опытных поездок расчетным путем подтверждена рядом, выполненных ранее, специальных испытаний, в которых наряду с непрерывно ведущимся расчетом нагревания в наиболее характерных точках профиля были выполнены опыты по определению температуры лимитирующих обмоток классическим способом. В случае, если расчетное значение температуры близко или превышает допустимую для данного типа двигателя, необходима проверка нагрева в данной точке профиля классическим методом.

Таким образом, критическая норма массы грузового поезда и режим эксплуатации тягового подвижного состава выбраны правильно, если полученные в опытных поездках на рассматриваемом участке при данной массе поезда обобщенные показатели проскальзывания соответствуют заранее выбранному режиму эксплуатации, а наибольшие уровни нагревания тягового электрооборудования не превышают установленных нормативов. При этом усилия, развиваемые локомотивами, не должны превышать максимально допустимых по прочности автосцепки, устойчивости вагонов в рельсовой колее и устойчивости верхнего строения пути.

Анализ опытных поездок показывает, что нагруженность электровозов даже при работе с поездами одинаковой массы может сильно различаться в зависимости от внешних условий и режимов управления. Реализовать всю гамму условий пропуска при проведении опытных поездок, сопоставить оценки загруженности электровозов при работе с поездами различной массы в меняющихся условиях эксплуатации, к также разработка рекомендаций по рациональным приемам управления движением поезда, при использовании только экспериментальных данных, является практически невыполнимой задачей. Эффективным методом решения подобных задач является применение математических моделей, которые адекватно отражают режимы работы локомотивов и учитывают основные влияющие факторы.

Одной из таких расчетных моделей является специализированный программный комплекс для обучения машинистов энергосберегающим и безопасным методам управления поезда, разработанный во ВНИИЖТе. Исходными данными для расчета являются: профиль участка, действующие предупреждения об ограничении скорости, тип локомотива, количество, тип и загрузка вагонов, время хода. Результатом расчета является скоростная траектория движения поезда и реализованная сила тяги. Основой расчета является интегрирование уравнения движения поезда, то есть точный тяговый расчет с использованием нормативных формул Правил тяговых расчётов с учетом профиля пути, ограничений скорости, тяговых и тормозных параметров локомотивов и т.д.

Применение этого комплекса позволяет производить тяговые расчеты для поездов различной массы и формирования на заданное время хода, оперативно имитировать изменения условий эксплуатации, оценивать продольно-динамические силы в составе и разрабатывать режимные карты вождения поездов повышенной массы и длины с учетом выполнения графика движения и обеспечения безопасности движения и снижения затрат энергии на тягу в широком диапазоне изменения условий эксплуатации.

При этом следует отметить, что методики выбора загруженности локомотивов по сцеплению, математического моделирования электромеханических процессов в локомотивах, аппаратные и программные средства для их реализации разрабатывались коллективом авторов в составе Мугинштейна Л.А., Рахманинова В.И., Хацкелевича А.А., Пясика М.С. при непосредственном творческом участии автора, методика выбора режимов управления движением поезда с учетом безопасного уровня продольных сил разрабатывалась коллективом авторов в составе Мугинштейна J1.A., Рахманинова В.И., Ябко И.А., Лисеева С.И., Пясика М.С. при непосредственном творческом участии автора.

Основные результаты и выводы диссертации :

1. Разработан комплекс методических, аппаратных и программных средств, включающий расчетные модели, для решения задач выбора тягового обеспечения поездов повышенной массы и длины на грузонапряженных направлениях сети железных дорог, обеспечивающий интегральный эффект сочетания высокой эффективности использования локомотивов с их надежностью в эксплуатации и безопасностью движения.

2. Предложенные расчетные модели позволяют получать необходимые данные, дополняющие экспериментальные, для разработки предложений и принятия решений по выбору тягового обеспечения в широком диапазоне изменения условий эксплуатации.

3. Технические решения, принятые при создании аппаратных средств и алгоритмов программ измерительно-вычислительных комплексов для дорожных тягово-энергетических вагонов-лабораторий обеспечили реконфигурируемость и универсальность комплекса при испытаниях различных типов тягового подвижного состава. Комплексы внедрены на ТЭВЛ Московской, ЗападноСибирской, Забайкальской, Свердловской и Южно-Уральской ж.д.

4. Проведенные в 2004 году под руководством автора тягово-динамические испытания с использованием комплекса методических, технических и программных средств позволили разработать рекомендации и предложения по тяговому обеспечению поездов массой 6, 8, 9 и 12 тысяч тонн на направлении Называевская-Чепца Свердловской ж.д., которые были приняты руководством дороги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Режимы работы магистральных электровозов / О. А. Некрасов, A. JI. Лисицын, Л. А. Мугинштейн, В. И. Рахманинов. М.: Транспорт, 1983. 231 с.

2. Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Проблемы сцепления колес локомотива с рельсами. М.: Машиностроение, 1985.238 с.

3. Самме Г.В. Вопросы теории сцепления. М.: Сб. науч. тр. ВЗИИТ, 1977, вып. 86, с. 84.

4. Лису нов В.Н. Оптимальное использование силы тяги локомотива по сцеплению // Железнодорожный транспорт, 1982, № 9, с. 24 27.

5. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. М.: Транспорт, 1977.182 с.

6. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. М.: Транспорт, 1983. 328 с.

7. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. М.: Транспорт, 1965.267 с.

8. Блохин Е.П., Манашкин Л.А. Динамика поезда. М.: Транспорт, 1982. 222 с.

9. Рациональные режимы вождения поездов и испытания локомотивов / С.И. Осипов, И.П. Исаев, Л. А. Мугинштейн и др. М.: Транспорт, 1984. 280 с.

10. Хацкелевич А.А., Мугинштейн Л.А., Лисицын А.Л. Автоматизированная система для исследования режимов работы электровозов // Вестник ВНИИЖТ, 1982, №3, с. 14-19.

11. Мугинштейн Л.А. Экспериментальные методы установления весовых норм грузовых поездов для электровозов постоянного тока. В кн.: Повышение массы грузовых поездов: Сб. науч. тр. М.: Транспорт, 1985, с. 30 -47.

12. Мугинштейн Л.А., Лисицын А.Л. Реальные режимы работы грузовых электровозов постоянного тока на грузонапряженных участках. В кн.: Повышение массы грузовых поездов: Сб. науч. тр. М.: Транспорт, .1985, с. 11 - 29

13. Хацкелевич А.А. Экспериментальный метод статистического исследования тяговых свойств электровозов // ВНИИЖТ, 1982. 231 с. Диссертация на соискание уч. степени канд. техн. наук.

14. Мугинштейн Л.А., Лисицын А.Л., Хацкелевич А.А. Статистический анализ режимов работы магистральных электровозов //Вестник ВНИИЖТ, 1982, № 8, с. 23 -27

15. Мугинштейн Л.А. Методы и средства повышения эффективности тяговых свойств электровозов в условиях интенсификации перевозок. Дисс. на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: ВНИИЖТ, 1989.

16. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие, пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986. 558 с.

17. Мугинштейн JT.А., Андреев А.В. Электромеханические процессы в тяговом приводе локомотива с учетом продольной динамики поезда и уровня нагруженности по сцеплению // Вестник ВНИИЖТ, 1988, № 8, с. 26 32.

18. Самме Г.В. Закономерности силы трения контакта «колесо рельс» в режиме тяги локомотива: 05.02.04/ВЗИИТ. М.: 1985. 266 с. - Диссертация на соискание уч. степени д-ра техн. Наук.

19. Вербек Г. Современное представление о сцеплении и его использовании // Железные дороги мира, 1974, № 4, с. 23 53.

20. Меншутин Н.Н. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях. Тр. ЦНИИ МПС, 1960, вып. 188, с. 113-132.

21. Лисицын А.Л., Потапов А.С. Выбор расчетного коэффициента сцепления грузовых локомотивов // Электрическая и тепловозная тяга. 1976. № 4. с. 42 44.

22. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985. 287 с.

23. Вершинский С.В. Продольная динамика вагонов в грузовых поездах. М.: Трансжелдориздат, 1957.262 с.

24. Костин Г.В., Черкашин Ю.М. Обеспечение безопасного движения вагонов в поездах повышенной массы и длинносоставных. В кн.: Повышение массы грузовых поездов: Сб. науч. тр. М.: Транспорт, 1985. с. 54 - 63.

25. Расчеты и испытания тяжеловесных поездов / Е.П. Блохин, Л.А. Манашкин, Е.Л. Стамблер и др.; Под ред. Е. П. Блохина. М.: Транспорт, 1986. 263 с.

26. Вершинский С.В. Устойчивость вагонов от выжимания продольными силами при торможении поезда: Тр. ЦНИИ МПС, вып. 425, 1970. с. 4 48.

27. Гребенюк П.Т. Динамика торможения тяжеловесных поездов. М.: Транспорт, 1977. 151 с.

28. Е.П. Блохин, В.Г. Иноземцев, В.В. Крылов и др. Торможение поездов разной длины при воздухораспределителе, № 483, Труды ВНИИЖТ "Эксплуатация автотормозов на подвижном составе железных дорог СССР", М.-Транспорт 1987 г.

29. В.Г. Иноземцев, Тормоза железнодорожного подвижного состава,1. М.-Транспорт, 1979 г.

30. Иноземцев В.Г., Казаринов В.М., Ясенцев В.Ф. Автоматические тормоза. М.: Транспорт, 1981.463 с.

31. Терещенко В. П. Вождение соединенных грузовых поездов. В кн.: Повышение массы грузовых поездов: Сб. науч. тр. М.: Транспорт, 1985. с. 76 - 90.

32. L. Mouginchteine, I. Yabko, Method of Investigation of the Longitudinal and Dynamic Forces in Freight of Increased Mass and Length, IHHA, May 5-9,2003, Dallas, Texas U.S.A, pp.2.43-2.51

33. Пыров A.E., Никифоров Б.Д. Интенсивная технология использования локомотивов // Ж.-д. транш. 1989. № 6. с. 35 40.